JP2019139143A - レンズユニットおよび画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被投射面に投射する画像の位置調整を行いながらも、大型化を抑制するレンズユニットの提供。【解決手段】本発明のレンズユニットは、縮小側に配置された第１光学系と、前記第１光学系よりも拡大側に配置されて、凸のパワーを有する反射面を備えた第２光学系と、を有し、前記第２光学系は、少なくとも凸のパワーを有する第１の反射光学部材と、前記第１の反射光学部材よりも前記被照射面側に配置され、パワーを有さない第２の反射光学部材と、を有し、前記第２の反射光学部材を前記反射面と垂直方向に移動させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、レンズユニットおよび画像投射装置に関する。

画像をスクリーンなどに向けて投射するプロジェクタ等の画像投射装置が知られている。

このような画像投射装置において、近年では短い距離で大きなサイズを投影できる短焦点化、広角化の要求が強まっている。

さて、画像投射装置において、設置性向上のために、投射されるスクリーン上での画面の表示位置を調整するための画面シフト機能が多く実装されている。
このような画面シフト機能は、例えば原画像を表示するライトバルブに対して水平な方向に投射レンズを偏心させるなどの方法が知られているが、同様に、反射光学系を含む画像投射装置においても、画面シフトを行うためにレンズ全体を動かす必要が生じてしまう。但し、前記の反射光学系は広角レンズであるため、スクリーンに対する光線入射角が大きく、半画角が７０°を超えるものが多い。特に光学系の平行度を維持するための要求精度の高さや、イメージサークルを移動させた距離だけ余裕を持たせて設計する必要があることで大型化を招いてしまうという虞もあった。

本発明は、被投射面に投射する画像の位置調整を行いながらも、大型化を抑制するレンズユニットの提供を目的とする。

この発明のレンズユニットは、縮小側に配置された第１光学系と、前記第１光学系よりも拡大側に配置されて、凸のパワーを有する反射面を備えた第２光学系と、を有し、前記第２光学系は、少なくとも凸のパワーを有する第１の反射光学部材と、前記第１の反射光学部材よりも前記被照射面側に配置され、パワーを有さない第２の反射光学部材と、を有し、前記第２の反射光学部材を前記反射面と垂直方向に移動させることを特徴とする。

本発明によれば、被投射面に投射する画像の位置調整を行いながらも、大型化を抑制することができる。

本発明の画像投射装置の一例を説明するための図である。 図１に示した平面ミラーの動作の一例を示す図である。 図２に示した平面ミラーの構成の一例を説明するための図である。 レンズユニットの従来例を示す図である。 第２の実施形態における画像投射装置の構成の一例を説明するための図である。 図５に示した構成のうち、カバー部の構成の一例を示す図である。 平行平板のカバー部と、湾曲したカバー部との差を示す図の一例である。 平行平板のカバー部と、湾曲したカバー部との入射角の違いを示す図の一例である。 平行平板のカバー部と、湾曲したカバー部との光束の入射する有効領域の差を示す図の一例である。

図１に、本発明の実施形態の一例として、投射光学系を備えた画像投射装置１００を示す。
本実施形態における画像投射装置１００は、画像表示素子たる液晶パネル１０１に表示された原画像を被照射面たるスクリーン１０４へと拡大して投射するプロジェクタである。

画像投射装置１００は、液晶パネル１０１と、プリズム１０２と、プリズム１０２によって合成された光束を拡大・投影するためのレンズを用いた投射光学系たる第１光学系１０と、第１光学系１０よりも拡大側に配置され、少なくともパワーを有する反射面を備えた反射光学系たる第２光学系２０と、後述するように第２光学系２０の平面ミラー２２を動作させる駆動部４０と、を有している。
また画像投射装置１００は、第１光学系１０を少なくとも内部に備え、光束Ｌを外部に出射するための開口部５１を有する筐体３０と、第１光学系１０とスクリーン１０４との間に開口部５１を覆うように配置された、光束Ｌを透過するカバー部材たるカバー部５０と、を有している。

原画像の表示を液晶パネル１０１で行うプロジェクタは、３原色（赤・緑・青）に対応した３枚のライトバルブたる液晶パネル１０１により変調された３つの光を色合成光学系たるプリズム１０２により合成して第１光学系１０へと入射させる。

また、本実施形態では原画像の画像表示素子として液晶パネル１０１を用いたが、かかる構成に限定されるものではなく、微小ミラーを並べて構成されたＤＭＤ等の反射型表示素子で行うとしても良い。
かかる反射型表示素子を用いる構成では、反射型表示素子を照明する光路を、反射型表示素子と第１光学系１０との間に確保する必要がある。

第１光学系１０は、複数のレンズ２を備えた投射光学系であり、縮小側たる液晶パネル１０１側から、拡大側たる第２光学系２０へ向けて画像を拡大して投射する光学系である。

第２光学系２０は、少なくとも１つのパワーを有する第１の反射光学部材たる凹面ミラー２１と、凹面ミラー２１とスクリーン１０４との間に、第１光学系１０のレンズ中心たる光軸Ｏの近傍に配置されたパワーを持たない第２の反射光学部材たる平面ミラー２２と、を有している。

本実施形態では、筐体部３０が液晶パネル１０１と、プリズム１０２と、第１光学系１０と第２光学系２０とを覆うように形成されて一体のレンズユニット１０３を構成するが、かかる構成に限定されるものではない。
例えばレンズユニット１０３は、液晶パネル１０１とプリズム１０２と、を別体に設け、第１光学系１０と第２光学系２０と、筐体部３０と、によって構成されるレンズユニットであっても良い。

凹面ミラー２１は、正のパワーを有するミラーである。
凹面ミラー２１への入射光は、図２（ａ）（ｂ）に光線を例示したように、平面ミラー２２の反射光と１回のみ交差してスクリーン１０４へと投射される。

画像投射装置１００は、液晶パネル１０１に表示された原画像を第１光学系１０と第２光学系２０とによって、拡大し、スクリーン１０４へと投影する。

さて、一般的な画像投射装置においては、スクリーン１０４での画像の表示位置を変更する構成として、各光学系の間の位置関係を変えないように、例えば図４に一点鎖線で示すように第１光学系１０’及び第２光学系２０’そのものを上下方向すなわちＺ方向へと移動させるような方法が用いられている。
しかしながら、かかる方法を図１に示したような実施形態に適用する場合には、特に反射光学系を備えるレンズユニットにおいて、レンズユニット１０３や第１光学系１０の設計精度への要求が高く、またライトバルブに対して上下動する分、イメージサークルを予め大きく設計しておく必要があった。
そのため、かかるシフト方法によるものでは、レンズ径の大型化や収差補正の難しさから、レンズユニット１０３そのものの小型化が難しいという問題が生じていた。

そこで、本実施形態においては、凹面ミラー２１よりも拡大側、言い換えると第２光学系２０の最も拡大側に配置された平面ミラー２２を有している。
かかる構成についてより詳しく説明する。

平面ミラー２２は、凹面ミラー２１によって反射された光束Ｌを更に反射して、スクリーン１０４へと投射するための第２の反射光学部材としての機能を有している。
平面ミラー２２は、図２に示すように、その反射面２２ａが第１光学系１０の光軸Ｏと平行になるように配置されており、本実施形態では特に反射面２２ａはＸＹ平面に平行である。
平面ミラー２２は、モーター等によって構成された駆動部４０により、かかるＸＹ平面に対して平行な状態を保ったまま、言い換えると第１光学系１０との角度を維持したまま、光軸方向Ｏと垂直なＺ方向に上下動可能なように支持されている。
平面ミラー２２を第１光学系１０の光軸Ｏに平行な反射面２２ａを維持したまま動かすことで、スクリーン１０４に投射する画像の上下方向の位置調整を行いながらも、大型化を抑制することができる。
また、平面ミラー２２は、パワーを有さないため、かかる動作によって凹面ミラー２１と平面ミラー２２との間の距離が変化したとしても、収差補正等のパラメータへの影響は十分小さい。

したがって、図３に示すように、平面ミラー２２を駆動部４０で上下動させることで、スクリーン１０４に投射される画像も、平面ミラー２２の上下動に対応する距離だけ上下することとなる。このとき、投射される画像は、収差補正等のパラメータの変動を最小限に抑えられている。

本実施形態では、レンズユニット１０３は、平面ミラー２２を光軸方向Ｏと垂直に移動させる駆動部４０を有している。
かかる構成により、反射面２２ａと光軸Ｏとの間でなす角を変化させることなく移動させることができるから、イメージサークルの拡大を最小限に抑えつつ、投射する画像の上下方向の位置調整を行うことができる。

また本実施形態では、平面ミラー２２は、スクリーン１０４に対して垂直方向に配置される。
かかる構成により、スクリーン１０４に投射する画像の上下方向の位置調整を行いながらも、より大型化を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と共通する部分については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
第２の実施形態においては、投射光学系１０の光軸Ｏが、ＸＹ平面に対して傾斜した位置で配置されている。
このとき、光軸Ｏと反射面２２ａとが平行になるように、平面ミラー２２が設置されている。

すなわち、本実施形態においては、光軸Ｏに対して平行に平面ミラー２２が設置されるが、平面ミラー２２はＸＹ平面に対して傾斜し、またスクリーン１０４に対しても傾斜して配置されている。
かかる構成によっても、スクリーン１０４に投射する画像の上下方向の位置調整を行いながらも、より大型化を抑制することができる。

また、このとき平面ミラー２２の動作方向Ｂは、図５に矢印で示したように、光軸Ｏと直交する方向である。
かかる構成とすることにより、スクリーン１０４に投射する画像の上下方向の位置調整を容易に行うことができる。

また第２の実施形態においては、図６に示すように、画像投射装置１００は、投射光学系１０を内部に備え、光束Ｌを外部に出射するための開口部５１を有する筐体３０と、投射光学系１０とスクリーン１０４との間に開口部５１を覆うように配置された、光束Ｌを透過するカバー部材たるカバー部５０と、を有している。

カバー部５０は、硝子材料によって形成され、当該カバー部５０への光束Ｌの入射角が大きい方向に曲率を有するシリンドリカル形状である。
なお、本実施形態においては、硝子材料を用いたが、樹脂材料であっても良い。また、本実施形態における「光束Ｌの入射角が大きい方向」は図６に示すように、Ｘ方向に沿った方向である。言い換えれば、光束Ｌの上下方向すなわちスクリーン１０４に投影されたときの上下方向に対応する方向には平行平板、スクリーン１０４に投影されたときの左右方向に対応する方向にはスクリーン１０４に向かって凸のシリンドリカル形状である。
なお、カバー部５０は、パワーを有していないことが望ましい。

かかるカバー部５０の構成について詳しく説明する。
図７に、カバー部５０の変形例として、平行平板にて構成されたカバー部５０’を示す。このとき凹面ミラー２１にて集光された光束Ｌは、大きな画角θ_２をもっているため、カバー部５０’に到達する光線の有効領域Ｇは図７に示すように非常に大きくなり、平行平板のカバー部５０’で全ての有効領域Ｇを覆うとすれば、カバー部５０’自体が大型化してしまう懸念がある。
そこで例えば、図７に破線で示すように、光束Ｌの光軸中心からＸ方向の外側に向かって湾曲するようにカバー部５０を配置することで、集光された光束Ｌの画角θ_２を維持したまま、カバー部５０の小型化をはかることができる。
また、光束Ｌのカバー部５０への最大入射角θ_１が大きい場合には、単に図８（ａ）に示すように、平行平板のカバー部５０を設けるのみでは特にその光線端部において内部反射による多重像が生じてしまうことがある。
こうした多重像による画質への悪影響を抑制するためには、例えばカバー部５０を内部反射しにくい材料で形成する他、形状によって内部反射を抑制する方法も考えられる。
例えば、図８（ｂ）に示すように、光束Ｌの光軸中心からＸ方向の外側に向かって湾曲するようにカバー部５０を配置することとすれば、光束Ｌの入射角θ_１を小さくすることができる。すなわち、かかる構成により、光束Ｌのカバー部５０内部における反射を抑制して、画質の向上にも寄与する。なお、本実施形態ではθ_１=θ_２であるが、かかる構成に限定されるものではなく、例えばθ_１＝θ_２であっても良いし、θ_１≠θ_２であっても良い。

図９（ａ）、（ｂ）に、光軸中心からみたときのカバー部の形状の違いによる光束Ｌの投射範囲を示す。図９（ａ）に比べて、図９（ｂ）の方が要求されるカバー部５０の面積が明らかに小さくなっていることが分かる。

なお、かかるカバー部５０は、第１の実施形態において採用するとしても構わない。また、図１に示した平行平板のカバー部材５０を用いたとしても良い。

以上、本発明の好ましい実施の形態について述べたが、この発明は上述した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において種々の構成をとることが可能である。

この発明の実施形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は、「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１０ 第１光学系
２０ 第２光学系
２１ 第１の反射光学部材（凹面ミラー）
２２ 第２の反射光学部材（平面ミラー）
２２ａ 反射面
３０ 筐体（筐体部）
４０ 駆動部
５０ カバー部材（カバー部）
５１ 開口部
１０３ レンズユニット
１０４ 被照射面
Ｏ 光軸

特許第５３６５１５５号公報 特許第５４２２８９７号公報 特許第４５５５２４５号公報

Claims (5)

1. 被照射面に向けて光束を投射する投射光学系を備えたレンズユニットであって、
   前記投射光学系は、縮小側に配置された第１光学系と、
   前記第１光学系よりも拡大側に配置されて、凸のパワーを有する反射面を備えた第２光学系と、を有し、
   前記第２光学系は、少なくとも凸のパワーを有する第１の反射光学部材と、前記第１の反射光学部材よりも前記被照射面側に配置され、パワーを有さない第２の反射光学部材と、を有し、前記第２の反射光学部材を前記反射面と垂直方向に移動させることを特徴とするレンズユニット。
2. 請求項１に記載のレンズユニットであって、
   前記レンズユニットは、第２の反射光学部材を前記反射面と垂直に移動させる駆動部を有することを特徴とするレンズユニット。
3. 請求項１または２に記載のレンズユニットであって、
   前記投射光学系を内部に備え、前記光束を外部に出射するための開口部を有する筐体と、前記投射光学系と前記被照射面との間に前記開口部を覆うように配置された、前記光束を透過するカバー部材を有するレンズユニット。
4. 請求項３に記載のレンズユニットであって、前記カバー部材は、硝子、または樹脂材料によって形成され、カバー部材への前記光束の入射角が大きい方向に曲率を有するシリンドリカル形状であることを特徴とするレンズユニット。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載のレンズユニットと、前記光束の光源と、を有し、前記被照射面に向けて画像を投射する画像投射装置。

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